Методическое пособие 443

1.6. Сопротивление теплопередаче неоднородных конструкций

Приведенное сопротивление теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций (многослойной каменной кладки с теплоизоляционным слоем, трехслойных стеновых панелей на жестких связях (рис. 1.3а), стеновых панелей на гибких связях (рис. 1.3б)) определяется следующим образом:

а) плоскостями, параллельными тепловому потоку, конструкция условно разделяется на участки, из которых одни могут быть однородными, а другие – неоднородными.

1

2

3

Рис. 1.3. Неоднородные ограждающие конструкции:

а) многослойная каменная кладка, стеновая панель на жестких связях; б) стеновая панель на гибких связях

Термическое сопротивление ограждающей конструкции определяется по формуле

Ra = (F1 + F2 + …..+ Fn)/( F1/ R1 + F2/ R2 + …..+ Fn/ Rn ), (1.9)

где F1 , F2 ,…Fn – площади отдельных участков конструкции (или ее части);

R1, R2….. Rn – термические сопротивления указанных участков конструкции, определяемые для однородных участков по формуле

10

Для неоднородного участка необходимо произвести суммирование термических сопротивлений отдельных его частей;

б) плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, ограждающая конструкция условно разделяется на слои, одни из которых могут быть однородными, а другие – неоднородными. Термические сопротивления однородных слоев определяются по формуле (1.10), неоднородных – по формуле (1.9), а термическое сопротивление ограждающей конструкции Rб – как сумма термических сопротивлений однородных и неоднородных слоев. Приведенное термическое сопротивление ограждения (если величина Ra не превышает величину Rб более чем на 25 %) следует определять по формуле

Если величина Ra превышает величину Rб более чем на 25 % или ограждающая конструкция не является плоской (имеет на поверхности выступы), то приведенное термическое сопротивление Rк такой конструкции следует определять на основании расчета температурного поля следующим образом:

- по результатам расчета температурного поля определяются средние температуры внутренней τв и наружной τн поверхностей и вычисляется величина теплового потока по формуле

Приведенное термическое сопротивление конструкции определяется по формуле

Приведенное сопротивление теплопередаче неоднородной ограждающей конструкции вычисляется как

Допускается приведенное сопротивление теплопередаче наружных панельных стен жилых домов (рис. 1.3б) принимать равным

11

где R* - сопротивление теплопередаче панельных стен, определяемое по формуле (1.8) без учета теплопроводных включений;

r – коэффициент теплотехнической однородности, зависящий от типа связей (жесткие или гибкие) и их количества.

Допущение об однородности ограждения неприменимо к вертикальным и горизонтальным стыкам стеновых панелей крупнопанельных зданий, схематично изображенным на рис. 1.4. Наличие металлических конструктивных элементов (монтажных петель, соединительных скоб), а также заполнение стыка бетоном приводит к возникновению «мостика холода», т.е. значительному местному снижению сопротивления теплопередаче. Повышение теплозащитных свойств ограждения достигается местным утеплением таких узлов при помощи вкладышей из минеральной ваты.

Утепляющий

вкладыш

Рис. 1.4. Утепление: вертикального (а)

и горизонтального (б) стыков стеновых панелей

Понижение температуры в наружном углу здания (рис. 1.5) обусловлено тем, что площадь притока тепла к внутренней поверхности меньше площади оттока тепла от наружной поверхности. Различие величин площадей приводит к появлению в помещении зоны с пониженной температурой на внутренней поверхности ограждения (зоны дискомфорта). Местное повышение температуры может быть достигнуто дополнительным подогревом при помощи стояка отопления или утолщением каменной кладки, что подчеркнет архитектурную выразительность фасада здания.

12

Утолщение каменной кладки

Стояк отопления

Рис. 1.5. Повышение температуры в наружном углу здания

Контрольные вопросы

1.Назовите основные параметры микроклимата.

2.Перечислите теплотехнические требования к ограждениям.

3.Назовите этапы решения основной теплотехнической задачи.

4.Перечислите допущения, принимаемые при использовании закона Фурье в теплотехническом расчете.

5.Назовите виды теплопередачи.

6.Поясните метод расчета температурного поля.

2.ТЕПЛОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ОГРАЖДЕНИЙ

Все теплотехнические расчеты основаны на предположении о постоянстве температур на поверхностях ограждения. В действительности это бывает редко, т.к. реальные тепловые потоки изменяются во времени. Причиной нестационарности в первую очередь являются колебания температуры наружного воздуха tн (суточные, при изменении погоды). При этом величина теплового потока и распределение температур меняются даже при постоянстве температуры в помещении tв. В тех случаях, когда меняется еще и температура внутреннего воздуха (периодическое, печное отопление), результаты расчета по установившемуся потоку тепла становятся еще более недостоверными.

В летних условиях наружная поверхность ограждения периодически нагревается прямыми солнечными лучами, что в сочетании с

13

высокой температурой наружного воздуха вызывает прогрев конструкций и повышение температуры в помещении.

Следовательно, оценка теплофизических свойств ограждения только по величине общего сопротивления теплопередаче Ro недостаточна. Поэтому ограждающие конструкции оценивают еще и по способности сохранять относительное постоянство распределения температур.

Рассмотрим два типа зданий, отличающихся наружными ограждениями:

-«легкое», в котором ограждения выполнены из материалов с малой теплоемкостью (дерево, легкие теплоизоляционные материалы);

-«тяжелое», в котором ограждения выполнены из материалов

свысокой теплоемкостью (каменная кладка, различные виды бетонов).

Схема изменения температуры внутреннего воздуха в течение суток при периодическом отоплении этих типов зданий приведена на рис. 2.1.

Время

Рис. 2.1. Суточные колебания температуры внутреннего воздуха для различных типов зданий

Из приведенного рисунка видно, что «легкие» здания значительно больше охлаждаются ночью, при этом возможна конденсация водяного пара и возникновение условий, непригодных для проживания. Для «тяжелых» зданий возможна экономия топлива при прекращении отопления в ночное время, однако значительны расходы энергии на повторный разогрев.

Для того чтобы оценить способность ограждения сглаживать суточные колебания температуры наружного воздуха, рассмотрим однослойную конструкцию, состоящую из однородного материала.

14

Схема ограждения приведена на рис. 2.2. Отношение амплитуды колебаний температуры внутреннего воздуха Aτв к амплитуде колебаний температуры наружного воздуха Aτн называется коэффициентом затухания температурных колебаний ν:

Для «легких» ограждающих конструкций ν мало, такие конструкции быстро нагреваются и быстро охлаждаются, т.е. обладают малой тепловой инерцией.

Тепловая инерция характеризуется условной толщиной D, которая для однослойных конструкций определяется формулой

где R – термическое сопротивление однослойной конструкции; S – коэффициент теплоусвоения материала.

температур)

Рис. 2.2. Затухание температурных колебаний

15

Для многослойных конструкций, состоящих из однородных последовательно расположенных слоев, тепловая инерция определяется послойным суммированием:

D=Σ(R.S). (2.3)

По величине D ограждения подразделяются на группы:

-особо легкие (0<D<1,5);

-легкие (1,5<D<4);

-средней массивности (4<D<7);

-массивные (7<D).

Легкие и массивные конструкции при одинаковом значении Ro отличаются по скорости изменения температурного поля.

Одним из основных теплотехнических требований к ограждениям является постоянство температуры на внутренней поверхности τв, от которой зависит обеспечение комфортных условий в помещении.

Тепловая устойчивость конструкции обеспечивается преимущественно теплоемкостью материала, расположенного в слое резких колебаний температур.

Для суровых климатических условий в слое резких колебаний температур следует располагать материалы с высокой теплоемкостью (каменная кладка, бетон), а легкие, обладающие малой теплоемкостью теплоизоляционные материалы, размещать снаружи. Такая схема размещения приводит к накоплению тепловой энергии в тяжелых материалах, которые будут отдавать ее внутрь помещения при понижении наружной температуры.

Для мягких климатических условий, когда здания отапливаются эпизодически, с внутренней стороны располагают утеплитель с малым теплоусвоением, что приводит к меньшим затратам тепла, необходимого для достижения требуемой температуры в помещении.

Тепловую устойчивость ограждений можно не проверять для стен при значении D<4, а для перекрытий – при D<5, т.е. для суровых климатических условий, где, как правило, конструкции имеют высокое значение тепловой инерции.

Для южных районов со среднемесячной температурой июля tн>210С при проектировании жилых, общественных, а также производственных зданий с постоянным температурно-влажностным режимом следует проверять теплоустойчивость, т.к. в этих условиях

16

при низких значениях D воздействие высоких наружных температур в сочетании с солнечной радиацией может вызвать перегрев помещений. Одним из способов защиты от перегрева может служить применение вентилируемых фасадов.

Полы в здании являются элементом, с которым человек имеет постоянный непосредственный контакт. Они определяют тепловой комфорт помещения, поэтому их теплотехнические характеристики не должны нарушать нормального режима терморегуляции.

В жилых и общественных зданиях полы ранее выполнялись из дерева, обладающего малым теплоусвоением, и тепловой комфорт был обеспечен без дополнительных расчетов. Дерево является достаточно дорогим строительным материалом, поэтому для покрытия полов часто применяют различные синтетические материалы, что требует проверки тепловой активности таких конструкций. Особо неблагоприятной с этой точки зрения являются участки пола вблизи наружных стен, что требует их дополнительного местного утепления, варианты которого приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Дополнительное утепление полов у наружных стен: а) дощатых полов по лагам в гражданских зданиях;

б) полов по бетонной подготовке в производственных зданиях

17

Контрольные вопросы

1.Перечислите причины нестационарности реальных тепловых потоков.

2.Дайте определение тепловой инерции ограждения.

3.Приведите классификацию ограждений по величине тепловой инерции.

4.Поясните принципы теплотехнического конструирования наружных ограждений в различных климатических условиях.

5.Назовите условия, при которых не требуется проверка тепловой устойчивости.

6.Поясните особенности конструирования полов.

3. ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Изменение влажностного режима ограждения, в частности повышение влажности, приводит к ухудшению его теплозащитных качеств. Прежде всего, снижаются теплозащитные свойства материалов, т.к. с повышением влажности растет коэффициент теплопроводности, следовательно, падает сопротивление теплопередаче. Кроме того, увлажненные материалы быстро разрушаются от коррозии, замораживания, биологических процессов, Для того, чтобы надежно защитить конструкции здания от излишнего увлажнения, следует определить источники повышенной влажности, которыми в общем случае являются:

-грунтовая влага;

-атмосферная (метеорологическая) влага;

-строительная влага;

-сорбционная влага;

-эксплуатационная влага (случайные увлажнения);

-конденсационное увлажнение.

3.1. Грунтовая влага

Вода в грунте может находиться в капиллярном состоянии и в виде горизонта грунтовых вод, уровень которых меняется в течение года, а также при выпадении атмосферных осадков (рис. 3.1а).

18